劉軼強(qiáng)

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一種智能電網(wǎng)信息無線傳輸與控制平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

劉軼強(qiáng)

（海軍駐湖南地區(qū)代表室，湖南湘潭 411101）

為實現(xiàn)智能電網(wǎng)參數(shù)的無線傳輸，本文利用藍(lán)牙技術(shù)、NRF24L01高頻頻射收發(fā)技術(shù)結(jié)合Android系統(tǒng)設(shè)計了一種無線傳輸與控制平臺。在系統(tǒng)采集端、中樞服務(wù)端分別采用PIC18F1320和PIC16F876為核心控制芯片，控制終端是基于Android系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與存儲軟件。最后以電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜中母線溫升參數(shù)的采集與傳輸為例對本無線傳輸與控制平臺進(jìn)行調(diào)試，驗證其可行性。

智能電網(wǎng) 無線傳輸 藍(lán)牙技術(shù) Android系統(tǒng)

0 引言

通信與信息技術(shù)是智能電網(wǎng)建設(shè)的核心領(lǐng)域之一，對智能電網(wǎng)不同結(jié)構(gòu)與組件之間的聯(lián)系、以及電網(wǎng)操作提供了可靠的樞紐平臺[1]。目前在智能電網(wǎng)狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳輸中仍以有線數(shù)據(jù)傳輸為主，其成本高，且極大程度的限制傳輸距離[2]。在智能電網(wǎng)中采用藍(lán)牙和無線電通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以避免有線傳輸?shù)闹T多缺陷。如今智能手機(jī)的功能日漸強(qiáng)大，將其作為數(shù)據(jù)采集與控制終端已成為可能。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸勢必會向無線化發(fā)展，因此無線數(shù)據(jù)傳輸與控制平臺的開發(fā)有廣闊的發(fā)展前景。

1 無線傳輸技術(shù)簡介

1.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的短距離無線通信技術(shù)，可以用來替代數(shù)字設(shè)備間短距離的有線電纜連接。藍(lán)牙技術(shù)具有很強(qiáng)的移植性，采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，適用于多種場合，其主要技術(shù)特點如圖1所示。

藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)線或紅外傳輸方式相比，在測控領(lǐng)域的主要優(yōu)點如下：

1) 在強(qiáng)電磁干擾的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，可有效地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂垢蓴_能力。

2) 無須鋪設(shè)線纜，降低環(huán)境改造成本。

3) 可多方位進(jìn)行測控數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)多個測控儀器設(shè)備間的連網(wǎng)，便于進(jìn)行集中監(jiān)測與控制[3]。

圖1 藍(lán)牙技術(shù)主要技術(shù)特點分布圖

1.2 NRF24L01無線收發(fā)芯片

NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，實現(xiàn)一對六通訊。

1.3 Android系統(tǒng)應(yīng)用形勢

Android是Google于2007年11月05日宣布的基于Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)的名稱，該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成[4]。如今手機(jī)普遍為Android操作系統(tǒng)，這為本無線傳輸與控制平臺的普及創(chuàng)造了有利條件。

2 系統(tǒng)概述

整個系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

主要包括以下幾個部分：

1）由終端對電網(wǎng)參數(shù)實時在線采集，然后將采集器采集的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊NRF24L01發(fā)送到服務(wù)器。

2）服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和維護(hù)人員。

3）在維護(hù)人員所持Android系統(tǒng)手機(jī)中安裝有監(jiān)測軟件，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析、存儲及判斷工作狀態(tài)。發(fā)生故障時，通過智能手機(jī)的通訊網(wǎng)絡(luò)向上級進(jìn)行電話或短信遠(yuǎn)程報警。

3 智能電網(wǎng)參數(shù)無線傳輸與控制平臺的搭建

信息無線傳輸平臺，從以下幾個方面實現(xiàn)：基于單片機(jī)的藍(lán)牙通訊技術(shù)，單片機(jī)控制的NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸，Android系統(tǒng)藍(lán)牙及數(shù)據(jù)存儲等功能的開發(fā)。

3.1 基于單片機(jī)的藍(lán)牙通訊技術(shù)

本系統(tǒng)采用串口通訊的方式在藍(lán)牙設(shè)備和主控制器之間傳輸數(shù)據(jù)。通過對藍(lán)牙協(xié)議的研究，采用藍(lán)牙模塊與主控制器（單片機(jī)）相連接的模式，向單片機(jī)寫入AT指令，通過USART傳輸層控制藍(lán)牙模塊，從而達(dá)到自動連接以及自動收發(fā)數(shù)據(jù)功能[5, 6]。藍(lán)牙系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示。

基于單片機(jī)的藍(lán)牙通訊技術(shù)實現(xiàn)了以下技術(shù)指標(biāo)：

1）自動完成處于藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙設(shè)備連接。該模式針對事先配對好的兩個不同地址，但硬件完全相同的藍(lán)牙-單片機(jī)設(shè)備。。

2）搜索在通信范圍內(nèi)所有同型設(shè)備或者其他具備藍(lán)牙功能的通信設(shè)備。搜索模式分為自動搜索和手動搜索。

3）可實現(xiàn)兩種接收方式：一種是藍(lán)牙設(shè)備與PC機(jī)等智能終端相連，由智能終端完成接收數(shù)據(jù)的工作；另一種模式是藍(lán)牙設(shè)備無需連接任何終端或接收機(jī)，直接將接收到的數(shù)據(jù)保存在外設(shè)FLASH當(dāng)中。

3.2 單片機(jī)控制的NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸

NRF24L01為新型單片射頻收發(fā)器件，集收發(fā)一體，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。該芯片干擾能力強(qiáng)，功耗低。在本平臺的設(shè)計中，信息采集終端采用PIC18F1320為核心控制芯片，中間中轉(zhuǎn)服務(wù)器采用PIC16F876為核心控制芯片。無線傳輸?shù)能浖鞒虉D如圖4、5所示。

圖4 系統(tǒng)采集終端軟件流程圖

圖5 系統(tǒng)中間服務(wù)器軟件流程圖

3.3 Android系統(tǒng)開發(fā)

Android系統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的具體開發(fā)流程如下：1）啟動藍(lán)牙功能；2）查找設(shè)備；3）查詢匹配好的設(shè)備；4）掃描設(shè)備；5）使能被發(fā)現(xiàn)；6）服務(wù)端的連接；7）客戶端的連接；8）管理連接。

基于Android系統(tǒng)開發(fā)出的采集與控制軟件的主要功能如下：

1）通過手機(jī)藍(lán)牙從中間服務(wù)器接收采集的數(shù)據(jù)，并實時顯示；

2）處理采集的參數(shù)，計算并顯示變化值，且可設(shè)定報警值；

3）有短信報警和電話報警兩種報警方式，報警號碼可任意設(shè)置；

4）采集的參數(shù)可以自動保存，保存時間間隔可設(shè)，保存文件為excel格式；

5）電話報警、短信報警及自動存盤的狀態(tài)可設(shè)、可顯示；

6）軟件基于智能手機(jī)自帶的相關(guān)傳感器還開發(fā)了部分附加功能，能夠檢測環(huán)境中的三維磁場強(qiáng)度、重力加速度及光強(qiáng)等，對電網(wǎng)環(huán)境的監(jiān)測提供輔助。

4 基于本無線傳輸與控制平臺的實例

在智能電網(wǎng)繼電保護(hù)及其它工業(yè)領(lǐng)域中有許多參數(shù)需要實時監(jiān)測，如母線溫升、電流、電壓、真空度、環(huán)境濕度等。由于實驗條件的限制，以環(huán)網(wǎng)柜中母線溫升的測量為例來實現(xiàn)本無線傳輸與控制平臺的調(diào)試。

溫度采集端通過溫度傳感器DS18B20分別對電網(wǎng)中母線的工作溫度進(jìn)行采集，由單片機(jī)PIC18F1320將采集的溫度數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)芯片NRF24L01發(fā)送至中樞服務(wù)端。溫度采集端的電路圖如圖6所示。中樞服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，并采集環(huán)境溫度，由單片機(jī)PIC16F876處理后將母線溫升值輸送到上位機(jī)及由藍(lán)牙發(fā)送到智能手機(jī)中。中樞服務(wù)端的電路圖如圖7所示。

狀態(tài)檢測端是基于安卓手機(jī)操作系統(tǒng)開發(fā)的溫度采集軟件。本平臺主要是對Android系統(tǒng)的藍(lán)牙進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)狀態(tài)檢測端通過藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析等相關(guān)功能，并通過短信與電話實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。上述軟件是為溫度參數(shù)的顯示開發(fā)的，針對不同信息的采集與顯示，只需要對軟件界面做適當(dāng)修改即可。該軟件適用于Android2.2及以上的操作系統(tǒng)版本。

圖6 溫度采集端電路原理圖

圖7 中樞服務(wù)端電路原理圖

5 結(jié)論

本無線傳輸與控制平臺，實現(xiàn)智能電網(wǎng)工作狀態(tài)參數(shù)的無線傳輸，為電網(wǎng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供了重要支撐和保障。

通過理論研究和實驗測試得到以下結(jié)論：

1）采用NRF24L01無線模塊跳頻技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的高頻無線傳輸，傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

2）單片機(jī)與智能手機(jī)之間通過藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)點對點雙向通訊，保證了數(shù)據(jù)的加密性與穩(wěn)定性。

3）采用JAVA語言完成對Android系統(tǒng)智能手機(jī)的開發(fā)，實現(xiàn)對電網(wǎng)參數(shù)信息的實時傳輸、存儲、分析與遠(yuǎn)程報警。

[1] 賀春. 智能電網(wǎng)給中國電工行業(yè)帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 電器工業(yè), 2009(8): 24-28．

[2] 張征容. 智能電網(wǎng)淺述[J]. 云南電力技術(shù), 2000(3): 28-32.

[3] 朱剛, 談?wù)褫x, 周賢偉. 藍(lán)牙技術(shù)原理與協(xié)議[M].北京交通出版社, 2002.

[4] 吳亞峰, 于復(fù)興. Android應(yīng)用開發(fā)完全自學(xué)手冊[M].人民郵電出版社, 2013.

[5] 董自健. 用單片機(jī)實現(xiàn)HCI層的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸[J]. 淮海工學(xué)院學(xué)報, 2003, 12(2): 25-27.

[6] 楊戰(zhàn)社. 基于藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸[D]. 西安科技大學(xué), 2005.

Design and Implementation of Wireless Transmission and Control Platform for the Smart Grid Information

Liu Yiqiang

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TN92

A

1003-4862（2013）12-0042-04

2013-09-04

劉軼強(qiáng)（1974-），男，工程師。研究方向：電氣工程。